ILCにおけるFPCCD崩壊点検出器の研究４年生発表東北大学素粒子実験（加速器）グループ伊藤周平 1 目次・国際リニアコライダー（ILC）・ILCにおける崩壊点検出器・FPCCD -CCDの長所と短所 -CCDの構造・Fe55を用いたCCD、読み出し回路評価 -セットアップ・テストパルスを使った現在の状況・まとめ、今後の予定 2 国際リニアコライダー（ILC）について International Linear Collider（ILC）電子陽電子を衝突させる線形型の加速器重心エネルギー：250GeV～500GeV ルミノシティ：500𝑓𝑏 −1 全長：約３０ｋｍ目的ヒッグス粒子の精密測定トップクォークの性質の精密測定新物理の探索 3 ILCにおける崩壊点検出器 ○崩壊点を正確に測定する 1 衝突点にもっとも近い場所 0.1 ○ヒッグス機構の検証 b、c、τの高精度識別 0.01 ヒッグス結合 1 y[mm] 10 100 cos 𝜃=0.95 𝑒− 質量 GeV cos 𝜃=0.9 39 37 𝑒+ ビームパイプ 20 18 16 θ 62.5 125 4 [mm] ビーム衝突時に大量のビームバックグランドが生成トラックの再構成にはピクセル占有率1% 以下が要求される ILCビーム・・・解決策として・・・１トレイン 200ms （１）1トレイン内で複数回読みだすビーム由来のノイズが問題（２）ピクセルの大きさを小さくすることで占有率を下げる FPCCD検出器 5 FPCCD検出器 Fine Pixel Charge Coupled Device １ピクセルサイズ：5um×5um 厚さ、有感領域：50um、15um 総ピクセル数:1010 ピクセル FPCCD モジュール 128 ピクセル約20mm 読み出し回路 20000ピクセル約100mm 6 CCDの特徴長所：検出電荷を転送してから増幅ピクセルごとのばらつきが小さい：多重散乱を抑えるためにセンサー層を薄くできる：ノイズに強い FPCCDに適した性質短所：読み出しの高速化が難しい：放射線ダメージに敏感解決すべき問題 7 CCDの構造金属絶縁体半導体電位空乏層電極下に電荷を蓄積、次々と転送していくことができるバケツリレーのように転送高速化が難しい駆動するために多くの電極消費電力が増える 8 FPCCD検出器の性能要求 um １）読み出し速度：＞10Mピクセル/s トレイン間隔200msで全ピクセル読みだし２）消費電力：<100W -40℃の温度を保つため３）ノイズレベル：＜全体で50電子浅い角度で入射した粒子は500 15 電子程度しか落とさない S/N>10を目指す 5um 5um 9 ノイズ原因 ○暗電流：熱励起によって発生 -40℃でよく抑制 ○雑音：CCDの各画素間のドープのバラつき読み出し回路による雑音 CTI(Charge Transfer Inefficiency) 放射線によりFPCCDにダメージ「格子欠陥」、「トラップ準位」の発生電荷の転送効率が下がる 10 ピクセルの高精細化高速読み出し＋低ノイズ＋高精細を目指して開発水平転送部ピクセルサイズ常温、低読み出し速度においてピクセルに光を照射水平転送6um×6umしたとき明るさに濃淡ができる水平転送不良が発生してしまっている 11 S/N、CTI評価 Fe55がだすγ線はセンサー内で約1600の電子生成荷電粒子がFPCCDに入射する状況 γ線は5.9KeVと6.4KeVにピークをもつ 1 2 3 「S/N」「CTI」を評価 eve 5 4 nt イベント判定 :周りの8個のピクセルより信号高い＋閾値より高い 6 7 8 Fe55 シャッター Blackbox 12 信号読み出しの流れ PC CCDチップ信号 FPGA 電力読み出し回路回路設定 FPGA CCD駆動パルス＋電力ドライバケイーーブサルネット SITCP 電源 13 Fe55を用いたCTI測定 CCDの垂直、水平転送をセクションに区分けそれぞれのセクションで5.9KeVのピーク測定 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 転送方向アンプから遠いピクセルは何度も転送されるため信号損失量が大きいと予想される 14 テストパルスを用いた信号読み出し現在テストパルスを使った読み出し試験中 CCD駆動パルスOFF CCD駆動パルスを送っていないときは大きなノイズは見られない CCD駆動パルスON CCD駆動パルスを送っているときは大きなノイズがみられてしまうまずはこのノイズを減らさないといけない 15 まとめ、今後の予定・ILCの崩壊点検出器にはピクセルサイズの小さい FPCCD検出器が有力な候補・読み出し速度、消費電力、ノイズレベルといった性能要求を満たさなければならない・6um×6umピクセルの水平転送において転送不良今後・信号読み出しにおける環境ノイズの除去・試作読み出し回路＋6um×6umCCDにおいてFe55を用いたCTI測定・ビームテストに向けてDAQのアップグレード 16 17 FPCCD読み出し回路回路構成 ccd Input 前置増幅器：検出器からの信号増幅 LPF ：高周波ノイズを除去 CDS ：暗電流ノイズを減らす ADC ：A→D変換２つ使用で高速化 LVDS Driver ADC 前置増幅器 LPF CDS output LVDS Driver ADC 18 転送の手順 ○トレイン間隔 =200ms で全ピクセルを読み出す ①垂直転送 ③アンプで信号電圧に変換 ②水平転送 10Mピクセル/s 19